Tesis:
New advances on multi-frequency and multi-beam reflectarrays with application to satellite antennas in Ka-band
- Autor: MARTÍNEZ DE RIOJA DEL NIDO, Eduardo María
- Título: New advances on multi-frequency and multi-beam reflectarrays with application to satellite antennas in Ka-band
- Fecha: 2018
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: SEÑALES, SISTEMAS Y RADIOCOMUNICACIONES
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/50302/
- Director/a 1º: ENCINAR GARCINUÑO, José Antonio
- Resumen: Los actuales satélites de comunicaciones con alta capacidad de datos en banda Ka deben proporcionar una cobertura celular formada por múltiples haces parcialmente imbricados con reutilización de frecuencia y polarización, tanto en la banda de transmisión (Tx, 19.2-20.2 GHz) como en recepción (Rx, 29-30 GHz). Normalmente se emplea un esquema de cuatro colores que combina dos frecuencias y dos polarizaciones, en el que los haces adyacentes se generan a una frecuencia y/o polarización distintas. El diseño de antenas de haces múltiples para los sistemas de satélites en banda Ka debe afrontar una serie de requisitos muy exigentes: generación de un elevado número de haces (habitualmente entre 50 y 100), separación muy pequeña entre haces adyacentes (un valor típico es 0.56º), bajas pérdidas, etc. Para hacer frente a estas especificaciones, la mayoría de los satélites llevan embarcadas cuatro antenas reflectoras, cada una de ellas responsable de generar todos los haces en una misma frecuencia y polarización (mismo color), utilizando un alimentador por haz. El problema de esta configuración viene dado por el hecho de tener que acomodar los cuatro reflectores en el satélite. Una reducción del número de antenas necesarias para proporcionar la cobertura celular traería consigo un importante ahorro en los costes, peso y volumen del conjunto de antenas para los satélites de comunicaciones que operan en banda Ka. El objetivo de esta tesis es proporcionar nuevos avances en el diseño de antenas reflectarray multi-frecuencia y multi-haz con aplicación a los satélites de comunicaciones para cobertura celular en banda Ka. A este respecto, la tesis puede dividirse principalmente en dos partes: la primera sobre reflectarrays que operan a dos frecuencias distintas, y la segunda sobre técnicas de diseño para mejorar las prestaciones de las antenas de haces múltiples. La primera parte de la tesis contiene la descripción de una nueva celda reflectarray para operar en doble polarización lineal a dos frecuencias relativamente separadas (permitiendo introducir un desfase independiente en cada polarización y frecuencia), así como el diseño de antenas reflectarray de doble banda que proporcionan haces independientes en cada polarización y banda de frecuencia, incluyendo la fabricación y medida de un demostrador de antena reflectarray de 25 cm para operar en doble polarización (lineal o circular) en las bandas Ku y Ka. El elemento reflectarray propuesto para operar de manera independiente en doble polarización lineal a dos frecuencias distintas consiste en una configuración de dos capas con dos conjuntos ortogonales de dipolos paralelos apilados. Cada conjunto, que permite ajustar la fase en una polarización, está compuesto de cinco dipolos paralelos en la capa inferior y tres dipolos paralelos más apilados sobre los anteriores e impresos en la cara superior de una segunda lámina de dieléctrico. Se han ajustado los parámetros geométricos de cada celda para operar, primero, a las frecuencias de Tx en las bandas Ku y Ka (12 y 20 GHz), y después, a las frecuencias de Tx y Rx en banda Ka (20 y 30 GHz). La configuración de dos capas propuesta permite realizar por separado el diseño de cada capa reflectarray: primero se ajustan las longitudes de los dipolos inferiores para proporcionar las fases necesarias a la frecuencia más baja, y después, se ajustan las longitudes de los dipolos superiores para introducir el desfase requerido a la frecuencia superior. Este procedimiento en dos pasos hace posible un proceso de diseño más sencillo y computacionalmente más rápido. Además, el diseño se lleva a cabo de manera independiente para cada polarización lineal, ajustando por separado el conjunto de dipolos asociado a cada polarización. Para validar tanto las celdas reflectarray multi-frecuencia como la técnica de diseño, se ha diseñado, fabricado y medido una antena reflectarray de 25 cm de diámetro para operar en las bandas Ku y Ka. El reflectarray propuesto permite optimizar de manera independiente los diagramas de radiación en cada una de las bandas de frecuencia, así como una colocación apropiada de las bocinas alimentadoras para cada frecuencia. Este concepto puede aplicarse al diseño de antenas transmisoras para satélite que serían capaces de satisfacer distintas especificaciones en cada banda de frecuencias y/o polarización (por ejemplo, generación de un haz conformado en banda Ku y de múltiples haces en banda Ka) mediante un diseño adecuado de los elementos en cada capa del reflectarray, utilizando alimentadores diferentes para cada misión. Además, la fabricación mediante tecnología de circuitos impresos multicapa y el bajo perfil del sándwich, permitirían un importante ahorro en el coste, peso y volumen del sistema de antenas para los satélites de comunicaciones que operan en las bandas Ku y Ka, gracias a la reutilización de la misma antena para dos misiones diferentes. La segunda parte de la tesis comprende el desarrollo de una técnica de diseño bifocal para antenas de doble transmitarray o doble reflectarray, y su aplicación al diseño de antenas de haces múltiples en banda Ka. El propósito de utilizar la técnica bifocal es doble: por un lado, mejorar las prestaciones de la antena para la generación de haces múltiples, y por otro, reducir la separación entre haces adyacentes para producir una cobertura celular desde el satélite. Para abordar este problema, se han considerado dos métodos distintos: partir de una configuración con simetría axial que permita rotar un diseño bifocal en 2D alrededor del eje de simetría, e implementar un algoritmo general de diseño bifocal en 3D que proporcione directamente las distribuciones de fase requeridas en los dos reflectarrays en la configuración de antena seleccionada. En primer lugar, se ha desarrollado un método de diseño bifocal para antenas de doble reflectarray o doble transmitarray a partir de una configuración con simetría axial en la que los dos reflectarrays/transmitarrays están situados en planos paralelos. Un diseño bifocal 2D realizado por medio de una rutina iterativa de trazado de rayos se rota alrededor del eje de simetría, y después es posible diseñar tanto configuraciones centradas como descentradas sin más que seleccionar porciones específicas de las superficies de revolución obtenidas. En el caso de configuraciones de doble reflectarray descentradas, ambos reflectarrays pueden inclinarse un cierto ángulo para obtener distribuciones de fase más suaves. Para ello, se ha implementado una rutina de ajuste de la fase que permite compensar la inclinación de los reflectarrays manteniendo la característica bifocal del diseño original. Por otro lado, el diseño con transmitarrays proporciona algunas ventajas, como menor sensibilidad a las deformaciones de la superficie, ausencia de bloqueo y utilización de geometrías centradas con un anillo focal. Estas ventajas se consiguen a costa de que la antena ocupe un volumen mayor. Por esta razón, se han estudiado diferentes configuraciones de doble transmitarray para tratar de reducir el volumen de la antena, como situar los alimentadores próximos al primer transmitarray (para integrar ambos elementos en el mismo subsistema), o reducir la distancia entre los dos transmitarrays (de manera que compartan la misma estructura de soporte). En segundo lugar, se ha desarrollado una técnica general de diseño bifocal en tres dimensiones, que permite la síntesis directa de las distribuciones de fase en cada reflectarray sin imponer ningún tipo de restricción geométrica en la configuración de la antena. El método bifocal tridimensional propuesto está basado en un procedimiento iterativo de trazado de rayos en 3D que proporciona una malla de puntos en la superficie de cada reflectarray, así como los valores de las derivadas parciales de la fase asociados a esos puntos. Las derivadas parciales de la fase se interpolan e integran de forma apropiada para obtener las funciones de fase bifocales requeridas en cada reflectarray. Se ha llevado a cabo un estudio preliminar sobre la aplicación de la técnica bifocal al diseño de antenas de haces múltiples para satélites en banda Ka, considerando tres grados diferentes de reducción de la separación entre haces con respecto a la antena monofocal equivalente: un grado de reducción elevado (en un factor 2, para proporcionar haces adyacentes con 0.56º de separación), un grado de reducción pequeño (en un factor de 1.1 o 1.2) y sin reducción del espaciado entre haces. Los resultados obtenidos muestran que la técnica bifocal permite proporcionar la separación requerida de 0.56º utilizando alimentadores contiguos, pero a costa de una baja eficiencia de radiación de la antena bifocal (el reflectarray principal debería sobredimensionarse considerablemente). El caso más interesante es el de una reducción pequeña del espaciado entre haces, que permite obtener haces más próximos con alimentadores no superpuestos, al mismo tiempo que se mejoran los resultados de los haces extremos de la cobertura y se alcanzan valores de ganancia y eficiencia de radiación razonables. Un demostrador de antena bifocal de doble reflectarray con un reflectarray principal de 57 cm ha sido diseñado, fabricado y medido para validar la técnica bifocal 3D propuesta. El demostrador se ha diseñado para operar en doble polarización lineal en la banda comprendida entre 19.2 y 20.2 GHz, pero la técnica de diseño puede ser utilizada igualmente para generar haces adyacentes en doble polarización circular mediante una técnica de rotación secuencial. Los resultados de las medidas demuestran la capacidad de la técnica bifocal para reducir la separación entre haces y para proporcionar unas mejores prestaciones que la antena monofocal equivalente (en concreto, se mejoran la ganancia y el nivel de lóbulos secundarios para los haces extremos de la cobertura). El primer factor permitirá reducir el tamaño requerido para la antena con respecto a los reflectores convencionales que proporcionan la misma separación ente haces. Además, la fabricación de la antena bifocal de doble reflectarray conlleva los mismos procesos convencionales usados para los reflectarray impresos, sin necesidad de emplear moldes específicos para cada caso, posibilitando una importante reducción del tiempo y los costes de fabricación, especialmente si se compara con las antenas bifocales de doble reflector, que requieren de costosos moldes metálicos para conformar los dos reflectores. Por último, se ha propuesto una antena bifocal de doble reflectarray con el reflectarray principal elíptico que proporciona todos los haces necesarios (los cuatro colores) para operar en transmisión desde un satélite geoestacionario en banda Ka, con objeto de sustituir a los cuatro reflectores utilizados actualmente (uno para cada color). Se ha aplicado la técnica bifocal con un alto grado de reducción del espaciado entre haces para producir haces adyacentes con 0.56º de separación en el plano de simetría, mientras que en el plano ortogonal se utiliza una condición de fase monofocal (1.1º de separación entre haces). Los haces restantes para formar la cobertura se generan en la polarización ortogonal. La solución propuesta presenta algunas ventajas con respecto a otras configuraciones que emplean un único reflector sobredimensionado para generar la cobertura celular, ya que requiere una apertura de menor tamaño y un menor número de alimentadores. El uso de reflectarrays planos, que pueden ser fabricados mediante los mismos procesos convencionales y de bajo coste que los circuitos impresos, permite implementar mecanismos más eficientes de despliegue en el satélite. El diseño de una antena de haces múltiples para satélites en banda Ka que operen en Tx y Rx puede llevarse a cabo mediante el uso de celdas reflectarray multi-frecuencia que permitan introducir desfases independientes en las frecuencias de transmisión y recepción. ----------ABSTRACT---------- Current high throughput satellites (HTS) in Ka-band are required to provide multiple spot beam coverage based on frequency and polarization reuse, both in transmission (Tx, 19.2-20.2 GHz) and reception (Rx, 29-30 GHz). A four colour scheme with two frequencies and two polarizations is normally used, in which adjacent spots must be generated in a different frequency and/or polarization. The design of multi-beam antennas for Ka-band HTS systems must cope with some challenging requirements: generation of a large number of beams (normally between 50 and 100), very small separation between adjacent spots (a typical value is 0.56º), low spillover, etc. To confront these stringent conditions, most of current HTS systems carry four reflector antennas on board the satellite, each reflector being responsible for generating all the beams in the same frequency and polarization (same colour) in a single feed per beam basis. The problem of this configuration has to do with the accommodation of the four reflectors in the satellite. A reduction in the number of apertures required to provide multi-spot coverage would result in significant savings in the cost, weight and volume of the antenna farm in communication satellites that operate in Ka-band. The motivation of this thesis has been to provide new advances on the design of multi-frequency and multi-beam reflectarray antennas with application to multiple spot beam satellites in Ka-band. In this respect, the thesis can be divided into two main parts: the first part on reflectarrays operating at two different frequencies, and the second for the developing of design techniques to improve the performance of multi-beam antennas. The first part of the thesis contains the description of a novel reflectarray cell to operate in dual-linear polarization (LP) at two separate frequencies (enabling independent phasing in each polarization and frequency), as well as the design of dual-band reflectarrays to provide independent beams in each polarization and frequency band, including the manufacturing and testing of a 25-cm reflectarray demonstrator to operate in dual polarization (linear or circular) in Ku and Ka bands. The reflectarray element proposed for independent operation in dual-LP at two separate frequencies consists of a two-layer configuration with two orthogonal sets of stacked parallel dipoles. Each set, that adjusts the phase in one polarization, is composed of five parallel dipoles on the lower layer and three additional parallel dipoles stacked above the previous ones and printed on top of a second dielectric sheet. The geometrical parameters of the cell have been adjusted to operate, first, at Tx frequencies in Ku and Ka bands (12 and 20 GHz), and then, at Tx and Rx frequencies in Ka-band (20 and 30 GHz). The proposed two-layer configuration allows to perform separate design processes for each reflectarray layer: first, the lengths of the lower dipoles are adjusted to match the required phases at the lower frequency, and then, the lengths of the upper dipoles are adjusted to introduce the required phase-shift at the higher frequency. This step-by-step procedure allows for a simpler and computationally faster design process. Moreover, the design is carried out independently for each linear polarization, by adjusting the set of dipoles associated to each polarization. A Ku/Ka-band reflectarray demonstrator of 25-cm diameter has been designed, manufactured and tested, in order to validate the multi-frequency reflectarray cells and the design technique. The proposed reflectarray permits an independent optimization of the radiation patterns for Ku and Ka bands, as well as a proper accommodation of the feed chains for each frequency band. This concept can be applied to design a satellite transmit antenna which would be able to fulfill independent requirements at each frequency and/or polarization (for example, generation of a contoured beam in Ku-band and multiple spots in Ka-band) by properly designing the elements on each reflectarray layer, using different feed chains for each mission. Moreover, the manufacturing using the technology for multi-layer printed circuits and low profile of the sandwich would lead to significant savings in the costs, weight and volume of the antenna farm for current satellite systems that operate in Ku and Ka bands, thanks to the reuse of the same aperture for two different missions. The second part of the thesis comprises the development of a bifocal design technique for dual reflectarray and dual transmitarray configurations, and its application to the design of multi-beam antennas in Ka-band. The aim of the bifocal technique is twofold, to improve the multi-beam performance of the antenna and to provide a certain degree of reduction in the angular separation between adjacent beams for a multi-spot coverage from a satellite. Two different approaches have been considered: starting from an axially-symmetrical geometry which allows the rotation of a 2D bifocal design around the symmetry axis, and implementing a general 3D bifocal method that directly provides the required phases on both reflectarrays in the selected antenna configuration. First, a bifocal design procedure has been developed for both dual reflectarray and dual transmitarray antennas by starting from an axially-symmetrical geometry with the two reflectarrays/transmitarrays placed in parallel planes. A 2D bifocal design performed in the offset plane by means of an iterative ray-tracing routine is rotated around the symmetry axis, and then, both centered and offset configurations are possible by choosing specific portions of the revolution surfaces. In the case of offset dual reflectarray configurations, both reflectarrays can be tilted a certain angle to obtain smoother phase distributions. For this purpose, a novel phase adjustment routine has been implemented to compensate the tilting and maintain the bifocal characteristic of the original design. On the other hand, the design with transmitarrays provides some advantages, such as lower sensitivity to surface deformations, absence of blockage and use of centered geometries with a focal ring. These advantages are achieved at the cost of a larger antenna volume. Hence, different dual transmitarray configurations have been studied to try to reduce the antenna volume, such as placing the feeds close to the first transmitarray (to integrate both elements on the same sub-system), or reducing the distance between the transmitarrays (to hold them with the same supporting structure). Secondly, a general tridimensional bifocal technique for dual reflectarray antennas has been developed, which makes it possible the direct synthesis of the required phase distributions on each reflectarray without imposing geometrical restrictions in the antenna configuration. The proposed 3D bifocal method is based on an iterative 3D ray-tracing routine that provides a grid of points on the surface of each reflectarray and the values of the partial derivatives of the phase associated to those points. The partial phase derivatives are interpolated, and then, properly integrated to obtain the bifocal phase functions required on each reflectarray. A preliminary study on the bifocal technique for the design of multi-beam satellite antennas in Ka-band has been carried out, considering three different degrees of reduction in the beam spacing with respect to the equivalent monofocal antenna: high beam spacing reduction (by a factor of 2, in order to provide adjacent beams with 0.56º separation), low beam spacing reduction (by a factor of 1.1 or 1.2), and no beam spacing reduction. The results show that the bifocal technique allows to provide the required 0.56º spacing by using non-overlapping feeds, but at the cost of a lower radiation efficiency of the bifocal antenna (the main reflectarray should be significantly oversized). The most interesting case is that for low beam spacing reduction, which allows to obtain closer beams with non-overlapping feeds, at the same time as improving the performance of the extreme beams and providing reasonable values of gain and radiation efficiency. A bifocal dual reflectarray antenna demonstrator with a main reflectarray of 57-cm has been designed, manufactured and tested in order to validate the proposed 3D bifocal technique. The demonstrator has been designed to operate in dual-LP in the 19.2-20.2 GHz band, but the technique can be also used to generate adjacent beams in dual-circular polarization by using a sequential rotation method. The results of the measurements show the capability of the bifocal technique to reduce the beam spacing and provide a better multi-beam performance than the equivalent single-focus antenna (particularly, the gain and side lobes are improved for the most external beams). The first factor will allow to reduce the antenna size with respect to conventional reflectors to provide the same beam spacing. Moreover, the fabrication of the bifocal dual reflectarray antenna involves the same conventional processes used for printed reflectarrays, without any need of custom moulds, allowing a significant reduction of manufacturing time and cost, particularly when compared with bifocal dual reflectors that require expensive custom moulds for the two shaped reflectors. Finally, a bifocal dual reflectarray antenna with an elliptical main reflectarray has been proposed to provide all the required spots (four colours) for transmission from a geostationary satellite in Ka-band, in order to substitute the four conventional antennas (one for each colour). The bifocal technique has been applied with a high degree of beam spacing reduction to produce adjacent beams with 0.56º separation in the offset plane, while using a monofocal phase condition in the orthogonal plane (beam spacing around 1.1º). The interleaved beams required for providing full multi-spot coverage are generated in the orthogonal polarization. This solution presents some advantages with respect to other configurations that use a single oversized reflector to provide multi-spot coverage, as it requires a smaller aperture size and a lower number of feeds. The use of flat reflectarray panels, which can be fabricated by the same conventional and relatively inexpensive processes used for printed circuits, allows for a more efficient packaging and deployment on the satellite. Moreover, the design of a Tx/Rx multiple spot beam satellite antenna can be addressed by the use of appropriate dual-frequency reflectarray cells that will enable independent phasing at Tx and Rx frequencies in Ka-band.